專利名稱：帶有傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面的發射/接收器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種集中裝置，例如帶有凹面的太陽光收集器，更具體的說，涉及一種能從遙遠的運動發射源，例如太陽，收集輻射能量并將其集中到設在該收集器附近的焦點區內的固定裝置系統。
背景技術：
在對用于替代炭氫化合物的能源的研究過程中，人類開發了一些能夠發射和接收光波和無線波之類電磁能量的設備，例如日光反射裝置。在實踐中，最重要的發射源就是太陽，我們要做的就是從這個發射源收集其發射的能量，從而獲取光和熱。一種通用的技術就是利用透鏡或反射凹面將太陽輻射的能量集中到某一位置或集中到焦點。需要解決的問題是，該能量發射源相對于用于集中能量的反射面是移動的，而集中聚焦點又會隨著發射源移動。
這就需要在能量集中裝置增加一個用于跟蹤發射源的系統。這種裝置一般是利用光或熱探測器，再加上用于驅動的電機，大多數情況下，這種跟蹤系統需要有精細且昂貴的裝備。
如果沒有跟蹤系統，就很難保持將能量聚焦到的所需的目標或位置上，從而會流失一部分所集中的能量。
靜態的太陽能集中器存在的一個問題是不能高效地收集太陽能，因為太陽會隨著一年中不同的日子和季節而在天空中移動。
前述技術的缺陷在于，不能提供一種不帶跟蹤系統、不受因日子和季節變化而導致的太陽光到地球表面的入射角度的變化影響、獨立、經濟、高效的太陽能收集裝置。
因此，需要有一種可在一個區域、一個點、或一條線上提供恒定集中效果，且不受太陽位置在不同日子和季節中的位置變化所影響的集中、收集表面。
還有必要將散射的自然光集中起來，以獲得電器所需強烈能量，其集中可通過透鏡、凹面集中器、以及日光反射裝置來實現；但是大多數這樣的裝置因為受到了尺寸的限制，不能為家用或工業需要提供足夠的能量。因其尺寸限制所帶來的困難是需要更大的空間來安放此類裝置。
一個有效的能量集中裝置需要有一連串的日光反射裝置來組成一個日光反射裝置區，它們是一些安裝在同一個地方鏡子，可將太陽光聚集到共同的點或區域，即所謂的焦點或焦點區域。
在專利號為4,311,132、授權給Van Kujik、公布于1982年2月19日的美國專利中，描述并保護一種加長型日光收集器，該收集器以一個半圓橫斷面作為其反射面，該半圓橫斷面的中部有一個沿曲率中心伸展、或沿南-北方向伸展(朝著天空)的熱能收集器部件。該日光收集器被放置在一個水平面上，其凹面部分為南北朝向，該收集器本身不能補償太陽的運動，除了其收集區能延伸至貫穿其半徑長度外，它沒有用于集中輻射能量的唯一的焦點或焦點區。
在專利號為4,459,972、授權給Moore、公布于1984年7月17日的美國專利中，描述并保護一種帶有環形鏡面的日光反射裝置，其相互垂直的面上有兩個不同的曲率半徑，并確定了一個平行于陸地軸的轉軸，和一個平行于赤緯軸、也即與第一轉軸垂直的轉軸。所述日光反射裝置中包含一個赤道儀座架和一個用來補償太陽光方向在一天中的變化的跟蹤裝置。該反射器一般是橢圓形，如果其兩個軸相等，則可退化為一個圓，從而能獲得一個焦點線；但是為實現這一點，必須找到足夠的方向，所以，對于這種類型的裝置，其理想位置是不穩定的。
在專利號為4,538,886、授權給Townsend等人、公布于1985年9月3日的美國專利中，描述并保護一種加長型日光集中器，其中由多個凸面組成一個面板，該面板在南北方向是凹面，在東西方向則是凸面。其中未確定圓拱的凹面與太陽光的關系，且拱形沒有恒定的半徑。該集中器提供了一個根據太陽光入射的角度的變化而在平面上移動的線性集中區。在該集中區內放置了一個管子，使得管子中的液體可吸收能量。所述裝置需要有精確的結構來支持和定位，為了最好地集中能量，需要很大的場地以保證所述管子被安放于最佳位置，有時需占用整個建筑物的頂部來放置該裝置。
在專利號為4,602,613的美國專利中，描述了一種用兩個收集器來收集太陽能的裝置，其中第一個為靜止的拱形圓柱結構收集器；第二個為帶有可水平移動的平板的可移動收集器。
在專利號為4,230,095；4,359,265；4,378,961和5,289,356，授權給Winston的美國專利中，描述了一系列以單個拋物線集中器為基礎，作為主要太陽能集中器的裝置。
在專利號為5,540,216、授權給Rasmusson、公布于1996年7月30日的美國專利中，描述并保護一種適用于運動發射源的能量收集器，其中包含一個第一凹面集中器，和一個第二反射器，該反射器通過一系列的涅菲耳(Fresnel)鏡將輻射線發射到目標點上。由于其第二反射器可補償發射源位置的變化，這種裝置未裝設用于跟蹤太陽位置的跟蹤系統。總體上講，第一集中器為一個朝向天空的球形反射板，第二反射器的凹面放置在第一集中器的凹面的前面。當太陽移動時，其光線被聚焦在第二反射器的不同區域，再由其發送到一個共同的點而不是發送到焦點線。
在專利號為的5,564,410的美國專利中，描述并保護一種改良的太陽能集中系統，該系統設置了兩個固定的反射部件，其中一個在另外一個前面，并設有一個用來跟蹤這兩個反射部件的焦點的可移動收集部件，以上部件都為凹面結構并被定位于固定的水平面。該裝置中還需要用來支持上述反射和集中部件的一些結構部件，這些結構部件也具有用于移動并對收集器進行定位的自動系統。
因而，需要能有一個不帶發射源跟蹤系統就能獲取足夠的焦點的集中裝置。
本發明采用簡單的構造，巧妙的解決了現有技術上述問題，并可根據發射源的方向來獲取焦點線或焦點。
發明內容
本發明的裝置帶有半球形或橢圓形的旋轉收集面，其曲率半徑傾斜向外，與水平面成35°至55°的夾角，這樣就能從運動著的發射源例如太陽有效地收集能量。該裝置有一個在所述旋轉面形成的空間內的焦點圓周線，所述焦點圓周線從集中面沿斜軸的方向到凹旋轉面的距離是母線直徑的1/4。
本發明的另外一個目的，是根據收集器的結構和形狀，提供一種帶有能將電磁能集中到一個圓周或焦點圓周線上的旋轉面的裝置。
本發明的另外一個目的，是提供一種帶有圓周旋轉反射面的固定裝置，使得在白天不需要隨著太陽的軌跡移動集中器就能有效地集中太陽光。
本發明的另外一個目的，是提供一種帶有半球形凹截面的圓周旋轉面的太陽光集中裝置，其完全旋轉360°后可配合不同的結構，且其曲率半徑與水平面成35°至55°的夾角。
本發明的另一個目的，是提供一種不受太陽位置的影響、始終將光線反射到圓周焦點區域的太陽光線集中裝置(收集/發射器)。
本發明的另一個目的，是提供一種用作平行光束發射器，帶有半球形圓周旋轉面的裝置。
本發明的另一個目的，是為帶有光線導裝置的應用設備，例如光導纖維，提供光源。
本發明的另一個目的，是為帶有液體傳導裝置的應用設備工具，例如用于傳導水或水蒸汽的水管，提供熱源。
本發明的另一個目的，是提供一種高效、經濟的太陽光集中裝置，該裝置有一個用來集中輻射線的狹窄的圓周區域，所述圓周線區域在由圓周旋轉面形成的半球形或橢圓形空間內，并與之相距1/4直徑。
本發明的另一個目的，是提供一種與曲率半徑的變化相配適的圓周旋轉面，該旋轉面的形狀可以有多種，例如堆棧形、四面體、螺旋形；并在各種情況下保持其傾斜方向和母線的形狀。
圖1示出了組成本發明太陽能收集器的橫截面母線(A)，圓周旋轉面的曲率半徑方向(y)以及能量集中焦點(AA)。
圖2示出了由母線在水平面旋轉360°后形成的太陽能收集器的橫截結構，還示出了半圓形的圓周線或母線(A)，圓周焦點線(D)，整個收集器的中心體、以及太陽幅射線的入射角(a)。
圖3示出了圓形太陽能集中器的頂部切削結構，還顯示了太陽光的入射角(a)，中心體，以及圓周焦點線(D)。
圖4示出了一個太陽光收集器的主視圖，其中詳細示出了基座形狀，主體的頂部(PS)，主體較窄的部分(M)，圓周焦點線(D)，以及收集表面(C)。
圖4A為圖4所示的收集的俯視圖。
圖4B為圖4所示的收集器的俯視圖；不同的是其主體為橢圓形結構，該圖中示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，以及集中焦點線(D)。
圖4C為圖4所示收集器的俯視圖；不同的是其主體為三葉草結構，各個突出結構之間的夾角為120°，其中還示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，以及集中焦點線(D)。
圖4D為收集器的主視圖；不同的是其主體為螺旋形，其中還示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，以及集中焦點線(D)。
圖4E為一個收集器的俯視圖和截面示意圖；不同的是其主體為圓形結構，其中還示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，集中焦點線(D)，主體的頸部(M)，半球形框架的方向，以及圓蓋(E)。
圖5為一個收集器的頂部截面圖；其主體由一對相同結構并通過基座連為一體，其中還示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，集中焦點線(D)，主體的頸部(M)，以及保護圓蓋(E)。
圖5A為一個收集器的截面圖，其主體為多個集中器的層疊式結構，其中示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，集中焦點線(D)，主體的頸部(M)，保護圓蓋(E)，下部基座(B)，以及上面的部分(PS)。
圖5B為一個收集器的透視圖；其中各個單體之間成120°夾角，其中還示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，集中焦點線(D)。
圖6為一個收集器的俯視圖和截面示意圖，其中示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，集中焦點線(D)，主體的頸部(M)，帶有內部反射面的防護圓蓋(E)，早上9點的太陽光的入射角(a)和(β)，陰影(S)以及主體中心的頂部(PS)。
圖6A為一個收集器的俯視圖和截面示意圖，其中示出了圓周旋轉凹面(C)的輪廓線，集中焦點線(D)，主體的頸部(M)，帶有內部反射面的防護圓蓋(E)，早上9點的太陽光的入射角(a)和(β)，圖6A中的陰影(S)的變化，以及主體中心的頂部(PS)。
具體實施例方式
下面將結合上述附圖，具體說明本發明的收集/發射器(日光反射裝置)的的具體實施例。
本發明的裝置可以用來獲取太陽能或任何其他類型的電磁能射線，只需要將足夠的換能放置在圓周形焦點線上以獲取相關的輻射線，例如光導纖維，無線電接收器、光電元件等。同時該裝置還可以用來發射輻射線，只須將發射器放置在焦點圓周區域，讓發射出的輻射線覆蓋在圓周形凹面上。
如圖1為一個組成太陽光收集器或日光反射裝置的旋轉面的截面形狀，所述面由母線A(即半圓)圍繞Z軸旋轉360°而形成，最終形成凹面半球結構的旋轉面作為集中反射面。有必要指出的是，曲率半徑的方位和母線的焦點軸是非常重要的，從而可從早上9點至下午3點之間，盡量多地獲取最強烈的太陽的幅射，曲面半徑的傾斜度最好與水平線成45°夾角；但也可采用35°至55°之間的其它傾斜角。本實施例中，其方位是一個垂直平面，其中帶有坐標軸Z和坐標軸X、原點O、以及位于曲率半徑的1/4處的集中焦點AA。母線A的形狀為半圓形或拋物線形，將由半圓形或拋物線形母線A旋轉得來的反射面或半球形面處理為鏡面光亮效果，從而可得到更好的能量集中結構。所述結構的圓周反射面中，其曲率半徑或焦點軸與水平面之間的夾角在35°至55°之間。所述鏡面光亮效果的凹面可獲取太陽射入的輻射線(平行光束)，并集中到焦點圓周線上，然后可在焦點圓周線上取出便于使用且已經加強的熱能或光能。
如圖2所示，將半圓形或拋物線形的母線A圍繞Z軸旋轉一周，可得到一個理論形狀，從而形成了最簡單的輻射線收集/發射器的形狀。圖中還示出了從太陽入射的平行光束的入射角(a)，當這些光束被集中面反射后，都被送到一個圓周焦點線(D)上，被集中到這里的幅射線可被取出用于各種不同的用途，例如加熱或照明。其中的焦點線(D)是由一系列連續的焦點組成，它貫穿整個旋轉面結構的圓周。這相當于有無窮多個收集器依次連接，且它們的焦點距離是相同的。這種裝置或日光反射裝置在水平面上的覆蓋率為360°或整圓，在垂直面上的覆蓋率為180°或半圓。
理想情況下，當太陽在最高點時，所述輻射線為平行射線，經過旋轉集中面反射后，被送到焦點圓周線(D0上，通過這種方式，解決了前面所說的現有技術的問題，即根據一天中太陽的位置確定焦點區域以及其集中面的方位。
本實施例中的支撐部分以及表面被磨成鏡面光亮效果的輻射線集中旋轉，可以采用多種材料制成，例如塑料、鐵和非鐵金屬、木材，其前提是反射表面都應該被磨亮，也就是說，應該具有高反光特性(鏡面等級)。
在本發明的一個具體實施例中，利用加硬的鋁作為制作材料，其反射表面覆蓋了一層穩定的聚合物、或銀之類的電鍍金屬，來防紫外線侵害。
如圖4所示為一個真實裝置的截面示意圖，該圖示出了由母線A形成的反射面C，其中形成了一個帶有圓形平頂PS的短中心體，中心體中間高度(M)處的點組成了集中反射旋轉面C的支撐結構；當幅射線照到C上時，就會被集中到焦點圓周線(D)上，該焦點圓周線與短中心體和旋轉面曲率半徑的內部是同心的。
圖4的日光反射裝置是通過下列方法構成的將一塊硬質鋁裝在數控車床上，首先加工出帶有短中心體的基座，然后在基座和短中心體之間加工出半圓形或拋物線輪廓，且曲率半徑或焦點軸與水平面之間的夾角最好為45°。
采用45°傾斜角的理由是在上午6:00到下午6:00間的太陽軌跡中，太陽光在上午9:00和下午3:00的傾斜角為45°，從這我們可以計算出太陽在最佳入射位置的時間為6±2個小時，即從上午9:00到下午3:00之間，也就是說，為實現本發明的目的，最好是采用傾斜角為45°的集中面。
從圖4中可以看出，所述集中裝置會在反射面(鏡面等級)上產生一個由短中心體引起的陰影，該陰影會隨著一天中時間的推移從東向西移動。由中心體所引起的收集能力的減少并不突出，因為其占整個入射光線的比例是非常小的。
本裝置的圓周焦線由多個焦點連接而成，并位于反射面的1/4直徑處，從而產生了可實現本發明目的的反射面的凹度和傾斜度。
本發明的反射表面是非常高效的，因為它只需要很小的空間就能集中到大量的輻射線，收集的強度越大就允許增加更多用電設備，因為更多的能量就會滿足更多的用電設備需求。
非常有必要將集中裝置放在一個基座上，使之與春秋平分線緯度垂直。假如把該裝置放置在赤道線上，則其日照時間為上午6點到下午6點。舉個例子，如果我們將集中裝置放置在赤道上，則可在3月21日或9月23日獲得最大這12小時的日照時間，考慮到太陽的平穩點，且其在天空的運動軌道為圓形，我們可以得到一個最高點或春秋平分點；在北方的夏至和南方的冬至，太陽的最高位置分別是在北緯23°27′和南緯23°27′，也就是說，太陽光只是在集中裝置的兩邊移動了23°27′，由于這與集中裝置的旋轉形狀不相關，所以采用這種方式可獲得恒定的日照時間而不用跟隨太陽的軌跡。
例如，在夏至日太陽光直照北緯23°27′，在冬至日則直照南緯23°27′，太陽光的傾斜度不會由于本裝置的旋轉結構和反射面的方位而對日照有太大的影響，而因為太陽從一個方向下去，又從另外一個方向升起；太陽的那種運動是在水平面上一小部分旋轉，與集中裝置的旋轉面結構不相關，因為該裝置成型在水平面的360°內的任何位置。
如圖4A所示，這是日光反射裝置或幅射集中裝置的一個優選實施例，本實施例的裝置中，其基座和輻射線集中旋轉面(C)的較窄支撐體(M)都為圓形結構。
如圖4B所示為本發明的另一優選實施例，其基座和輻射線集中旋轉面(C)的較窄支撐體(M)都為橢圓形結構。
如圖4C所示為本發明的另一優選實施例，其基座和輻射線集中旋轉面(C)的較窄支撐體(M)都為三葉草形結構。
如圖4D所示為本發明的另一優選實施例，其基座和輻射線集中旋轉面(C)的較窄支撐體(M)都為螺旋形結構。
如圖4E所示為本發明的另一優選實施例，其基座和輻射線集中旋轉面(C)的較窄支撐體(M)都為圓形結構，其上部還蓋有附加圓蓋，以防止熱量從該系統中散出，所述圓蓋的內部還涂有反射覆蓋層，以防止從其內部的集中面反射回來的光再散出，通過這種方式，所述輻射線會再次照射在本集中旋轉面上。
如圖5所示為本發明的另一優選實施例，該裝置由相同結構的上、下兩個集中器通過基座(B)相互連接而成，其中輻射線集中旋轉面(C)的較窄支撐體(M)被一個隔離圓蓋(E)所蓋住。
如圖5A所示為本發明的另一優選實施例，其主體為多個集中器的層疊式結構，這種向上重疊堆放的方式減少了中心體或支撐部件的半徑，但因該裝置有更大的面積來獲取太陽能所以增加了獲取太陽能的能力。該層疊式集中裝置的基本部件圓周半球形框架是由半圓形母線A形成的。該集中裝置也有一個能限制紅外線發散出去的透明圓蓋(E)。
如圖5B所示為本發明的另一優選實施例，該集中裝置由四個簡單的集中器按四面體四個面的位置放置，其中各集中器的基座邊緣連接在一起，并按約120°的方位放置。其中的反射面(C)與前述各個實施例中都是相同的。
在圖6中示出了兩束入射光a、β，其中第一束光線照射到集中器的整個表面，第二束光線則出現了最壞的情況，傾斜入射的光束越過裝置的外表面而未照射到集中表面，只有被圓蓋反射回來的光線才射到反射面并集中到圓周焦點線上。然后，從圖中可以看出，陰影區域相對于本發明的日光反射裝置能夠獲取到的光線來說是非常小的。在該日光反射裝置的俯視圖中可以看出，其中的陰影(S)與反射器的覆蓋面積無關。
如圖6A所示為同一天中兩個小時后的陰影位置，在這種狀態中，陰影的面積明顯減小，圓蓋再一次反射了很多光線到集中區內，如果沒有這些圓蓋，這些光線就會流失到集中器的外部。
本發明的收集/發射裝置的應用目的在于能量的獲取和發射，集中太陽幅以加熱液體，從而可用于家庭甚至工業領域，例如通過光導體(光導纖維)、擴散器等，以達到生產水蒸氣、室內空間照明等目的。
本發明中的日光反射裝置的集中表面的母線與水平線之間的夾角最好為45°±10°，這樣便于在一天中日照最強的時段內，提供最多的集中表面來獲取太陽的入射光。
通過閱讀本發明的說明書，本領域的普通技術人員可以根據其理解針對不同的用途改進出不同的結構，本發明的方案并不限于說明書中所描述的內容，而應根據權利要求書中的內容來確定其保護范圍。
權利要求
1.一種帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其中包括該裝置包括一個能從遠距離的運動發射源接收能量的所述反射面(C)，所述反射面(C)是以下凹半圓或拋物線作為母線(A)而構成，該母線(A)的曲率半徑或焦點軸向外傾斜；所述母線(A)在水平面旋轉360°，構成所述圓周旋轉面(C)；所述表面(C)將輻射線集中到一個區域形成一個焦點圓周(D)或幅射集中區，所述焦點圓周(D)在所述圓周集中面(C)所形成框架的直徑范圍內；其特征在于，所述裝置中的焦點軸(y)和母線(A)傾斜向外放置，還包括一個基座(X)和一個集中面(C)的支撐中心體。
2.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，所述曲率半徑或焦點軸朝外伸出并與水平面成35°至55°的夾角，優選為45°傾斜角。
3.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，所述旋轉集中面(C)被磨亮為鏡面光亮效果。
4.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，所述由半圓或拋物線構成的圓周集中面與所述發射/接收裝置的結構和形狀無關。
5.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，所述焦點圓周或幅射集中區在所述母線框架的范圍內，與集中面的距離為母線直徑的1/4。
6.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，該發射/接收裝置的結構形狀為圓形、橢圓形、三葉草形、或者層疊形。
7.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，該發射/接收裝置為層疊形結構，其中心體的直徑隨著高度的增加而減少。
8.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，該發射/接收裝置的結構為單個的螺旋形。
9.根據權利要求1所述的帶有用于從遠距離的發射源收集和集中電磁幅射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面(C)的發射/接收裝置，其特征在于，該發射/接收裝置的結構為四個單體按四面體形狀組成。
全文摘要
本發明公開了一種用于可從不同方向接收和發射輻射線的裝置，尤其是一種由一個或多個用于從遠距離的發射源收集和集中電磁輻射的傾斜設置且被磨光的圓周凹反射面所組成的發射/接收裝置。所述發射/接收裝置由一個半圓或拋物線繞一垂直軸旋轉360°而成，該母線向外傾斜成35°至55°的夾角放置，它旋轉形成圓周半球或拋物線框架，從而形成一個接收集中部件，即鏡面級的反射面，它獨立于發射/接收裝置的結構和形狀，可以是圓形、橢圓形、三葉草形、或者層疊形等等，其在水平面有360°、在垂直面有180°的接收能力。
文檔編號H01L31/042GK1541321SQ01821916
公開日2004年10月27日 申請日期2001年11月1日 優先權日2001年1月11日
發明者本杰明·費那度·阿科斯·戈馬, 圖派克·阿科斯·卡斯特羅, 阿科斯 卡斯特羅, 本杰明 費那度 阿科斯 戈馬 申請人:本杰明·費那度·阿科斯·戈馬, 圖派克·阿科斯·卡斯特羅, 本杰明 費那度 阿科斯 戈馬